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採用磁角位置感測器打造馬達控制解決方案
更高效、更節能

【作者: Mark Donovan】   2016年12月07日 星期三

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對於更高馬達效能及更佳成本效益的無止盡追求,促使馬達製造商從使用多個磁霍爾效應閂鎖感測器(magnetic hall-effect latch senor)裝置,轉而採用單一的霍爾效應磁角感測器(hall-effect magnetic angle sensor)裝置,用來提供馬達換向回饋。此趨勢在汽車和工業市場中尤其明顯,越來越多業者採用無刷直流(BLDC)馬達。類似的趨勢也出現在特定的汽車和工業應用中,它們從昂貴、龐大及耗電的光學編碼器及旋轉變壓器,轉而採用磁角位置感測器,用以提供馬達換向回饋功能。


在汽車市場上,從離散霍爾效應閂鎖器轉用磁化角位置感器來提供馬達控制回饋的趨勢也在發生中,使得OEM業者可以滿足日益增多的車輛安全性和燃料效率規定,並提昇整體的車輛可靠性。藉由消除馬達內部的多個磁性閂鎖裝置,以及它們的附屬被動元件和互連裝置,磁角位置感測器能改善馬達的效能和可靠性,並提升車輛的整體安全性。



圖一 :  用於電子動力轉向馬達控制系統的單一磁角位置感測器
圖一 : 用於電子動力轉向馬達控制系統的單一磁角位置感測器

在現今市場上可以看到一些新型磁角感測裝置的推出,它們是特別針對高速馬達應用所設計的。這些擁有各種創新特性的裝置,可以進一步推升馬達的效能,例如軸轉矩和轉速,並能降低系統成本。


舉例而言,奧地利微電子(ams)新近發表的磁角位置感測器之一 :AS5147P,就具有一種獨特的專利功能,它可以免除馬達控制若使用離散型霍爾閂鎖或其他同級磁角位置感測器就必須執行的一項任務。使用AS5147P的晶片上的動態角度誤差補償(Dynamic Angle Error Compensation, DAEC)功能,則馬達控制器就不需顧慮可能對馬達效能和功率需求造成負面影響的感測器和系統傳輸延遲。


解決滯後的方法

一般來說,馬達控制器或處理器必須考慮馬達換向回饋感測器量測到馬達的旋轉軸位置,以及它實際將測量結果報告給控制器之間的可能滯後(lag)。這種因為通過磁性感測器,以及感測器和處理器介面之間的傳輸延遲所造成的滯後,會導致測量位置誤差,而如果馬達控制系統內部不以某種方式解決這個問題,則會造成馬達效能及效率的降低。這個問題的大小與馬達的每分鐘轉速(RPM)成正比。也就是說,馬達的RPM越高,則感測器和介面既有的傳輸延遲就愈嚴重,如此會造成相關的滯後,對馬達效能造成負面影響。


傳統的馬達控制器解決此種滯後的方法是,每當控制器自馬達換向回饋感測器接收到新的量測更新時,就運行軟體演算法。因為對於旋轉馬達的角速度已有相當精確的概念,並且已知固有的感測器和介面傳輸延遲,所以馬達控制器的軟體演算能夠計算出旋轉馬達軸的即時角位置近似值,相對於它實際接收到感測器數據時的位置。這種方法是將感測器測量與偏移值相加。


利用AS5147P的DAEC功能,也能測定馬達的旋轉軸速度,並得知其內部及介面的傳輸延遲。就像是馬達控制器,藉由將感測器的實際量測值與偏移植相加,它能有效地將即時角位置資訊呈報給馬達控制器,進而消除滯後的影響。



圖二 :  AS5147P的DAECTM確保馬達效能和效率的提升
圖二 : AS5147P的DAECTM確保馬達效能和效率的提升

此外,若是在其專用電路中,AS5147P能較馬達控制器更精確地完成任務,這是因為它在進行測量時,會將偏移完全加到其自身的同步時脈電路之外。當馬達控制器在執行此任務時,在感測器和控制器之間會存在著時序模糊性,這是因為控制器和感測器會運行自己的內部和非同步時脈。當控制器及其軟體在執行此功能時,時序模糊會造成不精確的滯後偏移計算。因此,AS5147P為馬達控制器提供的精確馬達換向回饋位置資訊,能進一步提升馬達整體效能並改善功率效率。再者,它可以更快、更經常地執行此功能,如此就能支援更高的馬達RPM轉速。例如 AS5147P就能支援轉速高達 28,000 RPMs的馬達。


互連設計不受磁雜散場影響

在馬達換向回饋應用中使用磁角位置感測器的另一個好處,在於它們及它們的互連可以更容易地被設計成不受磁雜散場的影響,這是BLDC馬達的共同考量,這些馬達具有用於其轉子的內部磁性元件和流過其定子繞組的高電流。衝擊霍爾效應馬達換向感測器及其互連的磁雜散場,會降低感測器測量的精確性,並導致馬達無法正常工作,或甚至是不工作。


針對一般的磁角位置感測器,可以在馬達系統設計中放進屏蔽,以防止磁性感測器及其互連受到來自任何磁雜散場的影響。或者,可以特別注意霍爾感測器及其互連的布局並採用特殊的機械式設計,以避免感測器效能的降低。然而,利用這兩種屏蔽技術,都會造成開發時間及單位成本的上升。


做為解決磁雜散場問題和降低屏蔽成本的替代及更好的解決方案,ams提供的磁角位置感測器相當獨特且完全免疫於磁雜散場,其中包括AS5147P元件。如此一來,就不再需要磁屏蔽,也不需特別注意感測器及相關互連裝置的布局。這不僅可以降低馬達系統的成本,並且能進行始終精確且可重複的位置測量,即使是在磁雜訊最嚴重的環境中亦然。


持續整合新功能因應系統挑戰

總而言之,隨著世界對於電機馬達的需求不斷增加,以及不斷挑戰更高的馬達效能和更低的功耗,因此,從多個離散霍爾效應感測器、旋轉變壓器和光學編碼器轉變為效能更高和成本效益更佳的磁角位置感測器的趨勢將有增無減。如同現今使用AS5147P元件一樣,未來的智慧型磁角位置感測器將繼續進步和整合新功能,以滿足這些新的系統挑戰。


(本文作者Mark Donovan為奧地利微電子(ams AG)行銷經理位置感測器業務的資深產品行銷經理)


**刊頭圖片(source:Gizmodo)


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